Etudes portance et traînée

Pour pouvoir étudier ces forces nous allons placer un avion à l'arrêt dans un fort courant d'air. En effet, un avion se déplaçant par rapport à l'air ambiant avec une certaine vitesse se comporte, d'un point de vue aérodynamique, comme un avion à l'arrêt sur lequel souffle un vent de même vitesse. C'est ce principe qui est utilisé dans les souffleries (voir partie « études »). On parle ainsi de vent relatif.
Pour notre étude, on considère qu'un avion est placé dans un courant d'air. On constate que l'air contourne l'aile par le haut et par le bas.
Nous appellerons « extrados » la partie supérieure de l'aile et « intrados » la partie inférieure. Nous appellerons aussi le « bord d'attaque » pour désigner le point extrême avant de l'aile et le « bord de fuite » pour parler de point extrême arrière.

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Étude de la portance:

L'air à l'extrados de l'aile est contraint à un parcours plus long, donc à une plus grande vitesse. Il règne donc une pression plus faible à l'extrados.
Réciproquement, sur l'intrados, la vitesse d'écoulement de l'air est ralentie et la pression légèrement plus élevée.
L'air est dévié vers le bas à l'arrière du profil.
La dépression sur l'extrados, la surpression sur l'intrados et la déviation de l'air vers le bas engendrent une force portante sur l'aile, dirigée vers le haut. Il s'agit de la portance.

L'angle d'incidence est l'angle formé par la direction de la vitesse du vent (vent relatif) et celle de la ligne de foi de l'avion. Cet angle est d'une grande importance car il influe beaucoup sur la portance des ailes de l'appareil. Il est noté α (alpha).

La portance varie selon la vitesse. Pour s'en rendre compte, il suffit de penser au décollage. Afin d'obtenir une portance suffisante pour décoller, il faut que l'avion atteigne une vitesse minimale de sustentation. Il apparaît donc évident que la portance augmente lorsque la vitesse augmente.

Expression de la portance:

Des études très poussées en souffleries, réalisées par des aérodynamiciens ont permis de mettre en évidence l'expression de la portance:

Rz=(1/2).ρ.S.v².Cz

avec Rz la résultante de la portance; ρ la masse volumique de l'air; S la surface de référence de l'aile; v la vitesse de l'avion dans l'air; Cz le coefficient de portance de l'aile.

Le coefficient de portance de l'aile dépend de la forme du profil ainsi que de l'incidence de vol. Les profils qui présentent des courbures importantes ont de bons Cz. Ce dernier augmente avec l'incidence jusqu'à l'incidence de décrochage (voir la fin de cette partie).

Le point d'application de la portance se situe au niveau du centre de poussée (CP). Ce point d'application se déplace suivant la variation de l'incidence.

Étude de la traînée

Cependant un profil subit différentes formes de traînées. Il en existe trois formes:
- la traînée de forme;
- la traînée de sillage;
- la traînée induite (due à la portance).

La première est liée à la forme du profil. En effet, les écoulements sont différents en fonction des profils, et donc les différences de pressions entre l'avant et l'arrière ne sont pas identiques. La traînée est donc influencée par la forme du profil.
La seconde est lié au décollement des filets d'air sur l'arrière des profils. Plus les filets se décollent et plus la traînée de sillage est importante. Elle est influencée par la vitesse et l'incidence de vol de l'avion.
La dernière est liée aux différences de pressions entre l'intrados et l'extrados de l'aile (qui engendrent la portance). En effet l'air de l'intrados étant en surpression par rapport à celui de l'extrados, l'air du dessous de profil à tendance à remonter vers le dessus au niveau des saumons d'ailes (bout de l'aile). Cela créé des tourbillons que l'on appelle tourbillons marginaux. Pour lutter contre cet effet, les aérodynamiciens ont inventé les winglets. C'est un terme anglais qui désigne une sorte d'ailette verticale présente au saumon d'aile. En effet, ils diminuent la traînée induite par le tourbillon causé par la différence de pression à cet endroit, sans avoir à rallonger l'aile. Voici une photo du Boeing 757 qui illustre les winglets:

 

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La traînée dépend de plusieurs facteurs:
- de la forme du profil;
- de la vitesse (plus la vitesse est importante et plus la traînée augmente);
- de l'incidence (la traînée augmente avec l'incidence. Contrairement à la portance, elle augmente sans cesse).

Expression de la traînée:

Encore une fois, les études très poussées en souffleries ont permis de mettre en évidence l'expression de la traînée:

Rx= (1/2).ρ.S.v².Cx

avec Rx la résultante de la traînée; ρ la masse volumique de l'air; S la surface de référence de l'aile; v la vitesse de l'avion dans l'air; Cx le coefficient de traînée de l'aile.

Ici aussi le coefficient de traînée dépend de la forme du profil et de l'incidence de l'aile. Les profils minces présentent de meilleurs Cx que les profils épais. Le Cx augmente également avec l'incidence, jusqu'à l'incidence de décrochage.

Le point d'application de la traînée se situe au niveau du centre de poussée (CP). Ce point d'application se déplace suivant la variation de l'incidence.

On peut synthétiser ces deux études grâce au schéma suivant:

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Remarque:

L'air est dévié par le profil et suit les courbes de l'intrados et de l'extrados (engendrant ainsi la portance). Lorsque l'incidence devient trop importante, l'air ne parvient plus à suivre la courbe de l'extrados. Les filets d'air se décrochent de cette partie. La portance diminue alors très fortement (et la traînée augmente). C'est à ce moment là qu'on dit que l'avion décroche. De plus, le décrochage se produit toujours à la même incidence.

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Le schéma ci-dessus illustre une incidence normale d'un avion stabilisé en vol rectiligne régulier.

 

 

 

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Le schéma ci-dessus illustre maintenant une incidence trop importante au bout de laquelle se crée le décrochage. Les tourbillons montrent le décollement des filets d'air de l'extrados.

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